Self-healing hydrogels for bone tissue engineering: development of a GelMA-PVA-hydroxyapatite bioink for light-based 3D bioprinting

3D bioprinting is an additive manufacturing technology that utilizes cell-laden biomaterials to fabricate complex, tissue-like three-dimensional constructs. Within this field, self-healing hydrogels are increasingly employed because their dynamic reversible bonds allow these materials to autonomously repair structural damages, rapidly recovering their integrity to extend the construct's functional lifespan while providing dynamic physical cues that promote cell spreading and active tissue remodeling. While this capability is widely exploited in extrusion-based bioprinting, currently, no self-healing hydrogel exists for light-based bioprinting. This work aims to overcome this limitation by developing a self-healing hydrogel for LCD technology, thereby exploiting the high-resolution benefits of this approach while introducing intrinsic self-repair capabilities to the material. Specifically, this study focuses on the development and characterization of a self-healing bioink based on GelMA and PVA. Together, they form an interpenetrating polymer network: the former provides a stable covalent backbone, while the latter establishes dynamic crosslinking through borate ester bonds formed in a sodium tetraborate bath, granting the material its self-healing ability. Furthermore, the developed material is tailored for bone tissue engineering applications through the incorporation of hydroxyapatite nanoparticles and the optimization of its mechanical properties. The material underwent a comprehensive characterization. The synthesized GelMA exhibited a high degree of methacrylation, granting mechanical stability, which was further confirmed by compressive moduli suitable for bone tissue engineering, the self-healing ability was qualitatively and quantitatively assessed by comparing the stress at break of the self-healed samples against the pristine ones, indicating the effective reformation of the dynamically crosslinked network. Printability tests were conducted to evaluate the bioink's performance, ensuring high geometric fidelity while identifying optimal printing parameters. Swelling tests demonstrated the hydrogel's capacity to absorb liquids, ensuring adequate nutrient transport without excessive swelling, thereby preserving both mechanical properties and shape fidelity. Finally, cytocompatibility tests were performed with L929 murine fibroblasts to assess both the biocompatibility of the individual components and the viability upon encapsulation, demonstrating the overall suitability of the biomaterial for tissue engineering. These results provide new perspectives on the current state of the art, demonstrating the effectiveness of this bioink for bone tissue engineering applications. Most importantly, by integrating intrinsic repair mechanisms into the realm of light-based bioprinting, this self-healing bioink represents a significant breakthrough for the broader field of tissue engineering.

Il bioprinting 3D è una tecnologia di manifattura additiva che utilizza biomateriali caricati con cellule per fabbricare costrutti tridimensionali complessi simili ai tessuti nativi. All'interno di questo campo, gli idrogeli autoriparanti sono sempre più impiegati poiché i loro legami dinamici reversibili consentono a questi materiali di riparare autonomamente i danni strutturali, recuperando rapidamente la propria integrità per estendere la vita funzionale del costrutto e, al contempo, fornendo stimoli fisici dinamici che promuovono l'espansione cellulare e il rimodellamento attivo del tessuto. Sebbene questa capacità sia ampiamente sfruttata nel bioprinting ad estrusione, attualmente non esiste alcun idrogelo autorigenerante per il light-based bioprinting. Questo lavoro mira a superare tale limite sviluppando un idrogelo autorigenerante per la tecnologia LCD, sfruttando così i vantaggi in termini di alta risoluzione di questo approccio e introducendo al contempo capacità intrinseche di autoriparazione nel materiale. Nello specifico, questo studio si concentra sullo sviluppo e sulla caratterizzazione di un bioinchiostro autoriparante a base di GelMA e PVA. Insieme, essi formano un network polimerico compenetrante: il primo fornisce una struttura covalente stabile, mentre il secondo stabilisce reticolazioni dinamiche attraverso legami estere borato formati attraverso un bagno di sodio tetraborato, conferendo al materiale la sua capacità autoriparante. Inoltre, il materiale sviluppato è ottimizzato per applicazioni di ingegneria del tessuto osseo mediante l'incorporazione di nanoparticelle di idrossiapatite e l'ottimizzazione delle sue proprietà meccaniche. Il materiale è stato sottoposto a una caratterizzazione completa. La GelMA sintetizzata ha mostrato un alto grado di metacrilazione, garantendo stabilità meccanica; ciò è stato ulteriormente confermato da moduli di compressione adeguati per l'ingegneria del tessuto osseo. La capacità autoriparante è stata valutata qualitativamente e quantitativamente confrontando lo sforzo a rottura dei campioni autoriparati rispetto a quelli intatti, indicando l'effettiva riformazione del network reticolato dinamicamente. Sono stati condotti test di stampabilità per valutare le prestazioni del bioinchiostro, garantendo un'elevata fedeltà geometrica e identificando al contempo i parametri di stampa ottimali. I test di rigonfiamento hanno dimostrato la capacità dell'idrogelo di assorbire liquidi, assicurando un adeguato trasporto di nutrienti senza un rigonfiamento eccessivo, preservando così sia le proprietà meccaniche che la fedeltà di forma. Infine, sono stati eseguiti test di citocompatibilità con fibroblasti murini L929 per valutare sia la biocompatibilità dei singoli componenti sia la vitalità in seguito all'incapsulamento, dimostrando l'idoneità complessiva del biomateriale per l'ingegneria tissutale. Questi risultati forniscono nuove prospettive sull'attuale stato dell'arte, dimostrando l'efficacia di questo bioinchiostro per applicazioni di ingegneria del tessuto osseo. Fatto ancora più importante, integrando meccanismi intrinseci di riparazione nel campo del light-based bioprinting, questo bioinchiostro autoriparante rappresenta un progresso significativo per il settore dell'ingegneria tissutale.